Siêu vật liệu metamaterial được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra các tính chất vật lý vĩ mô (chủ yếu là tính chất điện từ) theo ý muốn. Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự sắp xếp các cấu trúc vi mô có thể theo 1 trật tự (tuần hoàn, trật tự gần, trật tự xa hoặc fractal) hoặc hỗn loạn. Các cấu trúc "nguyên tử" này có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng, được làm từ kim loại hoặc điện môi, có thể là chất phi từ hoặc sắt từ, và quan trọng nhất là có kích thước nhỏ hơn từ 7-10 lần so với bước sóng hoạt động của siêu vật liệu (xem "Effective Medium Theory of Left-Handed Materials", Phys. Rev. Lett. 93 107402 (2004)).

Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số điện môi. Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu liên quan chặt chẽ tới hai đại lượng này. Nguyên lý cơ bản của metamaterial là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ từ những cấu trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên. Sự truyền sóng điện từ trong metamaterials do đó cũng có thể dự đoán, thiết kế trước và điều chỉnh theo ý muốn. Hiện nay nghiên cứu về metamaterial đã mở rộng ra cho cả lĩnh vực sóng âm.